martes, 15 de marzo de 2016

Lanzamiento de ExoMars 2016. La ESA y Rusia camino de Marte

Hoy lunes día 14 de marzo de 2016 a las 09:31 UTC la corporación estatal Roscosmos ha lanzado la sonda europea ExoMars 2016 mediante un cohete Protón-M/Briz-M Phase III que despegó desde la rampa PU-39 del Área 200 del cosmódromo de Baikonur. ExoMars 2016 incluye el orbitador ExoMars TGO (Trace Gas Orbiter) para el estudio de la atmósfera marciana y la cápsula de descenso EDM (Entry, Descent and landing demonstrator Module) Schiaparelli. Ambos vehículos deben alcanzar Marte el próximo mes de octubre. ExoMars 2016 es la primera misión del programa ruso-europeo de exploración de Marte ExoMars, que incluye la misión ExoMars 2018 destinada a situar un rover sobre la superficie del planeta rojo.
Despegue de ExoMars 2016 (ESA).
Despegue de ExoMars 2016 (ESA).
ExoMars TGO deberá resolver de una vez por todas el misterio del metano marciano. Es la primera vez desde 1996 que se usa el cohete Protón para una misión interplanetaria y la primera vez que se emplea la etapa superior Briz-M para este tipo de misión (hasta ahora se habían empleado para este fin etapas Blok-D de kerolox fabricadas por la empresa RKK Energía). La etapa Briz-M realizó cuatro encendidos —en vez de los cinco habituales— para situar la sonda en una trayectoria de escape. ExoMars 2016 alcanzó la velocidad de escape a las 20:00 UTC del 14 de marzo, tras casi medio día de misión. Tras la separación de ExoMars, la etapa Briz-M ha realizado un par de maniobras evasivas para evitar impactar contra Marte, puesto que no ha sido esterilizada. Este ha sido el 2º lanzamiento de un cohete Protón en 2016 y el 411º en toda su historia.
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ExoMars TGO en órbita de Marte (ESA).

ExoMars 2016

ExoMars 2016/ЭксоМарс 2016 (Exobiology on Mars) es una sonda para explorar Marte de 4332 kg que está formada por el orbitador TGO (Trace Gas Orbiter) y la cápsula EDM (Entry, Descent and landing demonstrator Module) Schiaparelli (de 600 kg). Ha sido construida por Thales Alenia Space para la agencia espacial europea (ESA). Thales Alenia Space de Francia se ha encargado de TGO, mientras que Schiaparelli ha estado a cargo de Thales Alenia Space de Italia.
Dimensiones de ExoMars 2016 (ESA).
Dimensiones de ExoMars 2016 (ESA).
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ExoMars 2016 y sus instrumentos (ESA).
ExoMars 2016 tiene unas dimensiones de 3,2 x 2 x 2 metros, con una envergadura de 17,5 metros una vez desplegados los dos paneles solares (de 20 metros cuadrados de superficie y que generan 2000 W de potencia eléctrica), mientras que Schiaparelli tiene un diámetro de 2,4 metros y una altura de 1,65 metros. ExoMars TGO posee un motor principal de 424 N de empuje para la inserción en órbita marciana. La antena de comunicaciones de alta ganancia en banda X tiene un diámetro de 2,2 metros y una potencia de 65 W. Incluye la carga útil Electra de la NASA para comunicarse con los vehículos de superficie como Curiosity y Opportunity, además de Schiaparelli y el futuro rover ExoMars 2018. ExoMars 2016 es una misión conjunta entre la ESA y la corporación estatal Roscosmos.
Detalle de la antena de alta ganancia (ESA).
Detalle de la antena de alta ganancia (ESA).
ExoMars TGO incluye cuatro instrumentos principales, con una masa total de 113,8 kg:
  • NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery): es el instrumento principal, dirigido por Bélgica. Consta de tres espectrómetros diferentes que observarán la atmósfera marciana en las longitudes de onda que van de las 0,20-0,65 micras y 2,3-4,3 micras, es decir, del ultravioleta al infrarrojo. NOMAD analizará la composición de la atmósfera con una precisión sin precedentes, poniendo especial énfasis en el metano, además de estudiar la distribución de polvo y nubes. La sensibilidad de NOMAD con respecto al metano será de 100 ppt, mil veces superior a la de la sonda Mars Express. Será capaz de determinar la proporción isotópica de este compuesto, lo que permitirá saber cuál es el origen del metano —biológico o geológico— y su distribución superficial. NOMAD usa la tecnología de instrumentos similares desarrollados para las misiones Venus Express y ExoMars 2018.

Espectrómetro NOMAD (ESA).
Espectrómetros NOMAD (ESA).
Prestaciones de NOMAD (ESA).
Prestaciones de NOMAD (ESA).
  • CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System): cámara multiespectral de 17,7 kg dirigida por Suiza. Tomará imágenes a color con una resolución de 4,6 metros por píxel. Cada fotografía cubrirá 9 kilómetros de ancho. CaSSIS emplea parcialmente la tecnología del instrumento HiSCI desarrollado originalmente para TGO cuando era un proyecto conjunto con la NASA. La óptica tiene una distancia focal de 880 mm, un diámetro de 135 mm y una relación F/6,5. Tiene un campo de visión de 1,34º x 0,88º e incluye cuatro filtros en el visible, azul-verde, infrarrojo e infrarrojo cercano.
Cámara CaSSIS (ESA).
Cámara CaSSIS (ESA).
  • ACS (Atmospheric Chemistry Suite): conjunto de tres espectrómetros rusos (ACS/NIR, ACS/MIR y ACS/TIRVIM) que complementarán a NOMAD en el infrarrojo, de 0,73 a 25 micras.
Espectrómetros rusos ACS (Roscosmos).
Espectrómetros rusos ACS (Roscosmos).
Cobertura espectral de NOMAD y ACS (ESA).
Cobertura espectral de NOMAD y ACS (ESA).
  • FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector): detector de neutrones ruso basado en otros instrumentos similares que están actualmente a bordo de otras sondas, como HEND de la Mars Odyssey, LEND de la LRO y DAN de Curiosity. FREND tendrá una resolución de 40 kilómetros, frente a los 300 kilómetros de resolución del instrumento HEND de la sonda Mars Odyssey. Al poder detectar neutrones con energías comprendidas entre 0,4 eV y 10 MeV, FREND será capaz de determinar la distribución global del hielo superficial marciano con una resolución nunca vista.
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Instrumentos de ExoMars TGO (ESA).
Sonda ExoMars 2016 (ESA).
Sonda ExoMars 2016 (ESA).
Sonda ExoMars 2016 (ESA).
Sonda ExoMars 2016 (ESA).
El 16 de octubre de 2016 la cápsula Schiaparelli se separará de ExoMars TGO —con una velocidad de giro de 2,75 veces por minuto— de cara al aterrizaje que tendrá lugar el 19 de octubre. Schiaparelli aterrizará en Meridiani Planum (2º sur y 6º oeste, con una elipse de aterrizaje de 100 x 15 kilómetros), no muy lejos de donde se encuentra el rover de la NASA Opportunity. Ese mismo día TGO se situará en órbita de Marte y retransmitirá a la Tierra los datos del descenso de Schiaparelli. La órbita inicial será una órbita elíptica de 300 x 96 000 kilómetros y cuatro soles (días marcianos) de periodo, que se reducirá poco después a una órbita con un periodo de un sol. Tras un año de aerofrenado, TGO alcanzará en noviembre de 2017 una órbita circular de trabajo de 400 kilómetros de altura y 74º de inclinación, con un periodo de dos horas. La misión primaria de ExoMars TGO durará hasta 2022. El coste del programa ExoMars, incluidas las dos misiones, es de unos 1200 millones de euros.
Fases en la misión de ExoMars 2016 (ESA).
Fases en la misión de ExoMars 2016 (ESA).
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Secuencia de entrada y descenso de Schiaparelli (ESA).
Zona de aterrizaje de Schiaparelli en Meridiani Planum (ESA).
Zona de aterrizaje de Schiaparelli en Meridiani Planum (ESA).
La duración de la misión de la cápsula EDM, bautizada como Schiaparelli en 2013, está limitada por la vida de las baterías, por lo que se espera que funcione entre dos y ocho días. Schiaparelli aterrizará mediante un paracaídas de 12 metros de diámetro y un sistema de propulsión —formado por tres conjuntos de tres propulsores de hidracina con un empuje de 400 N— que permitirá frenar la velocidad de 270 km/h a 2 km/h. EDM incluye un conjunto de instrumentos, con una masa total de 5 kg, denominados DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface), dirigido por Italia y en el que colabora el INTA español. DREAMS está formado por los sensores para determinar la velocidad del viento y su dirección (MetWind), la humedad de la atmósfera (DREAMS-H), la presión atmosférica (DREAMS-P) y la temperatura (MarsTem), además de un sensor para medir la cantidad de polvo en suspensión (SIS, Solar Irradiance Sensor) y otro para medir la electrificación de la atmósfera (MicroARES,Atmospheric Radiation and Electricity Sensor). MicroARES medirá por primera vez los campos electrostáticos en la superficie de Marte, un parámetro importante para entender el comportamiento del polvo marciano.
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Partes de EDM Schiaparelli (ESA).
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Detalles e instrumentos de la cápsula EDM Schaparelli (ESA).
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Instrumentos de EDM Schiaparelli (ESA).
Schiaparelli también llevará el retrorreflector láser INRRI que permitirá en un futuro detectar el lugar exacto del aterrizaje y la cámara DECA (Descent Camera). Esta pequeña cámara de 0,6 kg tomará 15 imágenes a intervalos de 1,5 segundos durante el descenso a partir de la separación del escudo térmico (algo así como el equivalente a baja resolución de la cámara MARDI de Curiosity).
Retrorreflector láser INRRI (ESA).
Retrorreflector láser INRRI (ESA).
Cámara de descenso DECA (ESA).
Cámara de descenso DECA (ESA).
Schiaparelli también llevará a cabo el programa de investigaciones AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis) para determinar las características de la atmósfera marciana a partir del comportamiento de la cápsula durante la entrada y descenso. La parte trasera del escudo térmico (backshell) incorpora el conjunto de instrumentos COMARS+ (Combined Aerothermal and Radiometer Sensors Instrument Package) para estudiar la atmósfera marciana durante la entrada y descenso.
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Conjunto de sensores COMARS+ de Schiaparelli (ESA).
Escudo térmico de Schiaparelli (ESA).
Escudo térmico de Schiaparelli (ESA).
Póster de la misión (Roscosmos).
Póster de la misión (Roscosmos).

Cohete Protón-M

El cohete Protón-M Phase III (8K82KM) es un lanzador de tres etapas con una masa en seco de 53,65 toneladas y 712,8 toneladas de masa máxima una vez cargado de propergoles. Sus dimensiones sin la carga útil son de 42,3 x 7,4 metros. Con la cofia la longitud alcanza 58,2 metros. Tiene capacidad para poner 21,6 toneladas en una órbita baja de 200 km y una inclinación de 51,6º. También es capaz de situar 6920 kg en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) o bien 3250 kg directamente en la órbita geoestacionaria (GEO), lo que lo convierten en el lanzador ruso más potente en servicio. El Protón-M es la última versión del cohete Protón (UR-500) diseñado por la oficina de Vladímir Cheloméi. Su primer lanzamiento tuvo lugar el 16 de julio de 1965.
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Cohete Protón-M (Khrunichev).
La empresa estatal rusa GKNPTs Khrúnichev es la encargada de fabricar el Protón-M. Este lanzador se oferta en el mercado internacional por la compañía ILS (International Launch Services), de la cual Khrúnichev es el principal accionista. El Protón-M incorpora además la etapa superior Briz-M (14S43) de combustibles hipergólicos, también construida por Khrúnichev. En algunos lanzamientos para el gobierno federal ruso se sigue empleando la etapa Blok DM-2/DM-03 (11S861) que emplea queroseno y oxígeno líquido. La empresa ILS todavía opera algunas unidades del Protón-M más antiguas de la serie Phase I y Phase II.
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Características del Protón-M (Khrunichev).
Diferencias en prestaciones de las distintas fases del Protón (ILS).
Diferencias en prestaciones de las distintas fases del Protón (ILS).
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Dimensiones del Protón-M (Khrúnichev).
La primera etapa (Protón KM-1 ó 8S810M) está formada por un tanque central de tetróxido de nitrógeno rodeado de seis pequeños tanques de UDMH (dimetilhidrazina asimétrica). Sus dimensiones son de 21,18 x 7,4 m y su masa en seco es de 30,6 toneladas (428,3 t con combustible). Está construido usando las aleaciones de aluminio soviéticas AMg-6 y V95. Hasta la década de los 80 los analistas occidentales pensaban que los tanques exteriores eran aceleradores independientes -siguiendo el modelo de distribución del cohete Soyuz-, pero en realidad esta curiosa distribución se debe a la necesidad de transportar hasta Baikonur los componentes del cohete por separado en el ferrocarril (los túneles imponen el radio máximo).
En la base de cada tanque de hidrazina, de 19,86 m de largo, hay seis motores RD-276 (RD-275M ó 14D14M). El RD-276 es una versión ligeramente mejorada del RD-275 (14D14), diseñado por NPO Energomash. Cada uno tiene un empuje de 1590 kN a nivel del mar y 1750 kN en el vacío, así como un impulso específico de 289-316 segundos, generando unos 11 MN de empuje en total. El RD-275 debutó en octubre de 1995 y es el motor cohete hipergólico en servicio más potente del mundo. El RD-275 deriva a su vez del RD-253 (11D43), de 1474 kN de empuje. Cada uno de los RD-275 pueden moverse un rango de 7,5º gracias a actuadores hidráulicos, lo que permite el giro del cohete para orientarse en azimut después del lanzamiento. En 2007 se introdujo el RD-275M -también denominado RD-276- un 5,2% más potente, lo que ha permitido aumentar la masa útil lanzada a la órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) en unos 150 kg. Los motores de la primera etapa funcionan durante 127 segundos.
La segunda etapa (Protón KM-2 ó 8S811K) incorpora tres motores RD-0210 y un RD-0211 (de 588 kN de empuje y 321 s de Isp cada uno, con un empuje de 2,4 MN en total), diseñados por KB Khimavtomatika (KBKhA, antigua OKB-154 de Semyon Kosberg, localizada en Voronezh). La diferencia entre el RD-0211 y el RD-0210 es que el RD-0211 incorpora partes del sistema de presurización del RD-253/275. Cada motor puede moverse 3,25º alrededor de su eje central para maniobrar el vehículo. Esta segunda etapa del Protón está basada en el malogrado misil UR-200 de Cheloméi. Sus dimensiones son de 17,05 x 4,1 m y su masa es de 11,715 toneladas (157,3 toneladas con combustible).
La tercera etapa (Protón KM-3 ó 8S812M) lleva un motor RD-0212 fabricado por KBKhA, formado a su vez por un motor de una cámara RD-0213 (582,1 kN y 320 s de Isp) y otro con cuatro cámaras RD-0214 (30,98 kN y 287 s de Isp) que funciona como vernier. En esta etapa se encuentra el sistema de control y guiado del cohete diseñado por la compañía NIIP (antigua NII-885 de Pilyugin). Sus dimensiones son de 4,11 x 4,1 m y su masa de 3500 kg (46,562 toneladas con combustible). La tercera etapa funciona durante 241 segundos.
El Protón-M incorpora además la etapa superior Briz-M (14S43) de combustibles hipergólicos y también construida por Khrúnichev. La Briz-M suele realizar cuatro o cinco encendidos para transportar la carga hasta la órbita geoestacionaria. Tiene unas dimensiones de 2,61 x 4,0 m, una masa de 2370 kg (19 800 kg con combustible) e incorpora un motor RD-2000 (S5.98 M/14D30) de 19,62 kN de empuje, así como cuatro motores 11D458M (RDMT-400, de 40 kgf de empuje) de orientación y doce pequeños propulsores de actitud RDMT-12 (17D58E, de 1,36 kgf de empuje). Tiene un de un diseño muy original con un cuerpo central (TsTB, Tsentralni Toplivni Bak/Центральный Топливный Бак, ЦТБ, “tanque de combustible central”), donde se instala el motor principal, y un tanque exterior desechable de forma toroidal (DTB, Dopolnitelni Toplivni Bak/Дополнительный Топливный Бак, ДТБ, “tanque de combustible adicional”). La Briz-M actualmente en servicio es la versión Phase III, que introduce dos tanques de gases para la presurización con 80 litros de capacidad en vez del diseño anterior con seis tanques.
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Etapa superior Briz-M (Khrunichev).
Capacidad de carga del Protón en sus diferentes versiones (ILS).
Capacidad de carga del Protón en sus diferentes versiones (ILS).
Actualmente existen en Baikonur dos zonas de lanzamiento del Protón con dos rampas (PU, Puskavaia Ustanovka) cada una: el Área 81 (rampas 23 y 24) y el Área 200 (rampas 39 y 40). La rampa 40 no se encuentra activa desde 1991. En este lanzamiento se usó la rampa 24. Cada rampa consta de depósitos de propergoles subterráneos, un búnker de lanzamiento (250/251 en el caso de la rampa 24, a 1,3 km de distancia) y una torre de servicio móvil.
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Instalaciones del Protón en Baikonur (Khrunichev).
El cohete Protón-M se integra en el edificio MIK 92A-50 de Baikonur. Este edificio está dividido en cinco salas principales. En la Sala 111 se montan las tres primeras etapas del lanzador a partir de sus componentes llegados por ferrocarril. En la Sala 103 se procesan los satélites y se les carga de combustible, para luego ser acoplados con la etapa superior (en el caso de los GLONASS, el Blok DM-2) en la Sala 101.
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Plano del edificio 92A-50 de Baikonur (Khrunichev).
Secuencia de lanzamiento de ExoMars 2016:
  • 14 de marzo 09:31 UTC: lanzamiento desde Baikonur.
  • 09:33 UTC: separación de la primera etapa.
  • 09:36 UTC: separación de la segunda etapa.
  • 09:37 UTC: separación de la cofia.
  • 09:40 UTC: separación de la tercera etapa.
  • 09:45 UTC: primer encendido de la etapa Briz-M. Órbita circular inicial de 175 kilómetros.
  • 11:10 UTC: segundo encendido de la Briz-M. Órbita elíptica de 250 x 5000 kilómetros.
  • 13:25 UTC: tercer encendido de la Briz-M y separación de los tanques externos de combustible. Órbita elíptica de 250 x 21 000 kilómetros.
  • 19:50 UTC: cuarto y último encendido de la Briz-M. ExoMars alcanza la velocidad de escape.
  • 20:15 UTC: separación de la Briz-M.
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Trayectoria de lanzamiento de ExoMars 2016 (ESA).
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Fases de lanzamiento (en azul la separación de las etapas y la cofia)(ESA).
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Los tres encendidos de la etapa Briz-M antes de alcanzar la trayectoria de escape (ESA).
Separación de ExoMars 2016 y la etapa Briz-M (Roscosmos).
Separación de ExoMars 2016 y la etapa Briz-M (Roscosmos).
Llegada de ExoMars 2016 y Schiaparelli a Baikonur:
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Integración con la etapa Briz-M:
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Inserción en la cofia:
ExoMars SCC and Breeze US are encapsulated into the Payload Fairing
ExoMars SCC and Breeze US are encapsulated into the Payload Fairing
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Integración con el resto del lanzador y traslado a la rampa:
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rollout-day-2
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Verticalization of Proton
Lanzamiento:
Launch remote D4s S2
Launch remote Df
Launch remote D4s S1
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Vídeo de la llegada de la sonda a Baikonur:

Procesado de la sonda en Baikonur:

Vídeo de la unión de la cápsula Schiaparelli con la sonda TGO:


Vídeo de la inserción en la cofia:

Vídeos sobre la misión ExoMars 2016:



Vídeos del traslado a la rampa:


Vídeo del lanzamiento:

Vídeo animación del lanzamiento:




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